jurnal

ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT DENGAN TEKNIK LINEAR ARRAYMuhammad Ihsan, Ali Hanafiah RambeKonsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik ElektroFakultas teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIAe-mail: [email protected]

Abstrak

Wireless Local Area Network (WLAN) merupakan salah satu aplikasi pengembangan dari wireless yang digunakan untuk komunikasi data. Salah satu perangkat yang dibutuhkan pada sistem WLAN adalah antena. Ada berbagai jenis antena yang dapat digunakan pada WLAN diantaranya adalah antena mikrostrip.Antena mikrostrip array adalah pengembangan dari antena mikrostrip yang merupakan gabungan dari beberapa elemen peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Ada beberapa macam konfigurasi antena array, di antaranya linear, planar, dan circular.Dalam Tugas Akhir ini akan dianalisis antena mikrostrip patch segiempat yang disusun secara linear dan bekerja pada frekuensi 2,45 GHz. Jenis antena yang digunakan antena mikrostrip patch segiempat linear array 2, 3, 4, 5, 6, 7, dan 8 elemen. Hasil gain yang diperoleh dari antena mikrostrip yang disusun secara linear adalah 7,76 dB; 8,52 dB; 11,22 dB; 9,55 dB; 12,04 dB; 10,85 dB; 14,21 dB dan nilai VSWR yang diperoleh 1,379; 1,404; 1,347; 1,415; 1,444; 1,512; 1,123.

Kata kunci: Antena Mikrostrip, Linear Array, Gain

1. PendahuluanAntena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip tersusun atas 3 komponen yaitu: groundplane, substrate dan patch peradiasi. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini. Hal ini disebabkan karena ukuran antena mikrostrip yang kecil dan beratnya yang ringan membuat jenis antena ini sederhana untuk dibuat dan mudah untuk diintegrasikan.Gain dari antena mikrostrip dapat diperbesar dengan menambahkan patch secara array, sehingga membentuk antena mikrostrip array. Antena mikrostrip array adalah pengembangan dari antena mikrostrip yang merupakan gabungan dari beberapa elemen peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Antena mikrostrip array dapat berbentuk seri, paralel, atau gabungan keduanya. Kelebihan antena mikrostrip array ini dibandingkan antena mikrostrip biasa yaitu memiliki bandwidth dan gain yang lebih besar.Ada beberapa macam konfigurasi antena array, di antaranya linear, planar, dan circular. Masing masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi, sedangkan linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit.Pada Tugas Akhir ini, akan dianalisis antena mikrostrip patch segiempat yang disusun secara linear. Jenis antena yang digunakan antena mikrostrip patch segiempat linear array 2, 3, 4, 5, 6, 7 dan 8 elemen. Adapun hasil yang diharapkan adalah diperolehnya karakteristik dari antena mikrostrip yang disusun secara linear berupa gain, pola radiasi, dan vswr. Analisis dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak AWR Microwave Office 2004.

2. Antena MikrostripAntena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 3 komponen yaitu : groundplane, substrate, dan patch peradiasi. Beberapa parameter utama dari antena mikrostrip adalah dimensi antena, bandwith, VSWR, pola radiasi, dan gain [1]. Antena array adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Dalam antena mikrostrip , yang disusun secara array adalah bagian patch. Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dibagi menjadi 2, yaitu pencatuan secara langsung dan pencatuan secara tidak langsung. Teknik pencatuan aperture coupled termasuk teknik pencatuan secara tidak langsung. [2]. Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider. Dalam hal ini metoda Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 1 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson[3].

Gambar 1. N-Way Wilkinson Combiner.Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan persaamaan berikut :Z = Z0 (1)dimana N adalah jumlah titik percabangan dan Z0 adalah impedansi masukkan awal.T-Junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunkan pada konfigurasi antena array. Terdapat 2 jenis T-Junction 50 yang dapat digunakan sebagai power divider seperti ditunjukkan pada Gambar 2 [4]:

Gambar 2. T-Junction 50 Ohm

3. Metode PenelitianDalam perancangan antena mikrostrip bahan substrat yang digunakan memilki spesifikasi sebagai berikut : Bahan dielektrik : epoxy fiberglass FR 4 Konstanta dielektrik (r) = 4.4 Ketebalan lapisan dileketrik (h) = 1.6 mm Loss tangent = 0.02 Frekuensi kerja (fr) = 2.45 GHzSebelum merancang antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 8 elemen , tentukan dahulu antena mikrostrip elemen tunggal. Proses tersebut bertujuan sebagai dasar dari data-data yang akan digunakan dalam perancangan antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 8 elemen. Dalam merancang sebuah antena mikrostrip array ada beberapa parameter yang harus dihitung terlebih dahulu:1. Menentukan panjang gelombang dari antena yang dapat dibuat dengan menggunakan Persamaan 2.1 berikut:

= 122,45 mm

2. Menentukan lebar patch dengan menggunakan Persamaan 2.14 berikut:

= 0,0376 = 37,6 mm

3. Menentukan panjang patch dengan menggunakan Persamaan 2.15 sampai 2.18 berikut:L = Leff 2 LDi mana:

= 3,9

= 0,0306 m = 30,6 mm

= 0,6592 mm

L = Leff 2L= 30,6 (2 x 0,659)= 29,282 mm.Dari perhitungan tersebut, diperoleh panjang dan lebar patch masing-masing adalah 29,282 mm dan 37,6 mm, namun dibulatkan menjadi 29 mm dan 38 mm.Dengan menggunakan data-data yang telah ditentukan sebelumnya dapat mempermudah perancangan antena pada perangkat lunak yang digunakan.Hasil simulasi antena mikrostrip elemen tunggal setelah optimasi dengan menggunakan perangkat lunak AWR microwave Office 2004 adalah sebagai berikut, Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan mempunyai impedansi masukan sebesar 50 . Parameter dari panjang saluran pencatu dapat diubah untuk memperoleh nilai yang optimal. Gambar 4.2 merupakan rancangan antena mikrostrip elemen tunggal dengan lebar saluran 3 mm dan panjang saluran 15,5 mm.

Gambar 3 Rancangan Antena Mikrostrip Elemen Tunggal

Antena mikrostrip dianalisa setelah memasukkan range frekuensi yang ditentukan yaitu dari 2,3 GHz sampai 2,6 GHz. Hasil keluaran ditampilkan dalam bentuk grafik VSWR, gain, dan pola radiasi.Dari hasil simulasi didapatkan nilai VSWR sebesar 1.816 pada frekuensi 2.45 GHz seperti pada Gambar 3.2.

Gambar 4 Grafik VSWR Hasil Simulasi Elemen TunggalDari hasil Simulasi didapat bentuk pola radiasi dan besar gain seperti pada Gambar 3.3.

Gambar 5 Hasil Simulasi Pola Radiasi Elemen Tunggal

Dari Gambar 3.4 dapat diketahui bahwa nilai gain yang diperoleh dari hasil simulasi adalah 6.155 dB dan pola radiasi yang dihasilkan adalah pola radiasi directional.

4. Perancangan antena mikrostrip patch segiempat linear arrayPerancangan ini akan menggunakan data-data yang telah diperoleh dari perancangan antena mikrostrip element tunggal. Data tersebut antara lain : jenis substrat yang digunakan, dimensi patch antena, panjang saluran pencatu, dan letak saluran pencatu. Pada proses perencanaan ini terdapat 2 patch yang memiliki data yang sama disusun secara linear. Sebelum merancang konfigurasi saluran pencatu, tentukan dahulu jarak antar elemen (patch) terdekat.Pada perancangan array, hal yang diperhatikan adalah jarak antar elemen patch antena. Jarak antar elemen pada antena adalah d = /2.

Jarak tersebut diukur dari titik tengah antara satu patch dengan patch lain yang terdekat. Akan tetapi jarak tersebut dapat diubah-ubah untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal.

4.1 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 ElemenRancangan antena mikrostrip dua elemen array terlihat pada Gambar 3.5, dengan jarak antar elemen sebesar 24 mm.

Gambar 6 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen

4.2 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 3 ElemenRancangan antena mikrostrip tiga elemen array terlihat pada Gambar 3.6, dengan jarak antar elemen sebesar 24 mm.


4.3 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 4 ElemenRancangan antena mikrostrip empat elemen array terlihat pada Gambar 3.7, dengan jarak antar elemen sebesar 24 mm.


4.4 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 5 ElemenRancangan antena mikrostrip lima elemen array terlihat pada Gambar 3.8, dengan jarak antar elemen sebesar 24 mm.


4.5 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 6 ElemenRancangan antena mikrostrip enam elemen array terlihat pada Gambar 3.9, dengan jarak antar elemen sebesar 24 mm.


4.6 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 7 ElemenRancangan antena mikrostrip tujuh elemen array terlihat pada Gambar 3.10, dengan jarak antar elemen sebesar 24 mm.


4.7 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 8 ElemenRancangan antena mikrostrip delapan elemen array terlihat pada Gambar 3.11, dengan jarak antar elemen sebesar 24 mm.


4.8 Hasil Simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 ElemenDari data perancangan elemen tunggal dan perancangan 2 elemen yang telah dirancang sebelumnya, maka didapatkan nilai VSWR seperti yang tampak pada Gambar 4.1. Dari Gambar 4.1 dapat diketahui bahwa nilai VSWR hasil simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen adalah 1.932 pada frekuensi 2.45 GHz. Nilai VSWR yang diperoleh telah memenuhi kriteria antena yang dapat digunakan karena memiliki nilai VSWR 2 di frekuensi kerja 2.45 GHz. Akan tetapi nilai yang diperoleh tersebut belum optimal.

Gambar 13 Grafik VSWR Hasil Simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen

Hasil simulasi yang didapatkan dari perhitungan dan perancangan secara teori tersebut belum tentu merupakan hasil yang optimum. Untuk mendapatkan hasil yang optimum maka dapat dilakukan dengan cara iterasi jarak antar elemen (patch) yang terdekat.

Gambar 14 Grafik VSWR Simulasi untuk Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen yang Optimal

Dari Gambar 4.4 dapat dilihat bahwa nilai VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi setelah diiterasi adalah sebesar 1.379 yang bekerja pada frekuensi yang diinginkan yaitu 2.45 GHz. Sedangkan nilai gain yang didapat dan pola radiasi yang terbentuk tampak pada Gambar 4.5.

Gambar 15 Hasil Simulasi Gain dan Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen

Dari Gambar 4.5 dapat diketahui nilai gain yang diperoleh adalah 7.76 dB, pola radiasi yang terbentuk adalah directional, dan nilai beamwidth yang diperoleh 56,17.

4.9 Hasil Simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 3 ElemenDari data perancangan elemen tunggal dan perancangan 3 elemen yang telah dirancang sebelumnya, maka didapatkan nilai VSWR seperti yang tampak pada Gambar 4.6.


Dari Gambar 4.6 dapat diketahui bahwa nilai VSWR hasil simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 3 Elemen adalah 2.238 pada frekuensi 2.45 GHz. . Nilai VSWR yang diperoleh belum memenuhi kriteria antena yang dapat digunakan karena belum memiliki nilai VSWR 2 di frekuensi kerja 2.45 GHz. Untuk mendapatkan hasil yang optimum maka dapat dilakukan dengan cara iterasi jarak antar elemen (patch) yang terdekat.

.Gambar 17Grafik VSWR Simulasi untuk Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 3 Elemen yang Optimal

Dari Gambar 4.9 dapat dilihat bahwa nilai VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi setelah diiterasi adalah sebesar 1.404 yang bekerja pada frekuensi yang diinginkan yaitu 2.45 GHz. Sedangkan nilai gain yang didapat dan pola radiasi yang terbentuk tampak pada Gambar 4.10.

Gambar 18Hasil Simulasi Gain dan Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 3 ElemenDari Gambar 4.10 dapat diketahui nilai gain yang diperoleh adalah 8.519 dB dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional, dan nilai beamwidth yang diperoleh 39,33.

4.10 Hasil Simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 4 ElemenDari data perancangan elemen tunggal dan perancangan 4 elemen yang telah dirancang sebelumnya, maka didapatkan nilai VSWR seperti yang tampak pada Gambar 4.11.




Dari Gambar 4.14 dapat dilihat bahwa nilai VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi setelah diiterasi adalah sebesar 1.347 yang bekerja pada frekuensi yang diinginkan yaitu 2.45 GHz. Sedangkan nilai gain yang didapat dan pola radiasi yang terbentuk tampak pada Gambar 4.15


Dari Gambar 4.15 dapat diketahui nilai gain yang diperoleh adalah 11.22 dB dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional, dan nilai beamwidth yang diperoleh 25,88.

4.11 Hasil Simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 5 Elemen Dari data perancangan elemen tunggal dan perancangan 5 elemen yang telah dirancang sebelumnya, maka didapatkan nilai VSWR seperti yang tampak pada Gambar 4.16






Dari Gambar 4.20 dapat diketahui nilai gain yang diperoleh adalah 9,547 dB dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional, dan nilai beamwidth yang diperoleh 41,16.



Hasil simulasi yang didapatkan dari perhitungan dan perancangan secara teori tersebut belum tentu merupakan hasil yang optimum. Untuk mendapatkan hasil yang optimum maka dapat dilakukan dengan cara iterasi jarak antar elemen (patch) yang terdekat.











Dari Gambar 4.30 dapat diketahui nilai gain yang diperoleh adalah 10,85 dB dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional, dan nilai beamwidth yang diperoleh 17,17.4.14 Hasil Simulasi Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 8 Elemen Dari data perancangan elemen tunggal dan perancangan 8 elemen yang telah dirancang sebelumnya, maka didapatkan nilai VSWR seperti yang tampak pada Gambar 4.31







5 Analisis Pencapaian Parameter AntenaParameter optimal yang didapat dari hasil simulasi dapat dibandingkan antara satu elemen dengan elemen yang lain. Tabel 4.1 memperlihatkan perbandingan nilai VSWR, gain, dan beamwidth (HPBw) dari tiap-tiap konfigurasi.

Tabel 4.1 Perbandingan Pencaaian Parameter AntenaJumlah ElemenVSWRGain (dB)HPBw ()

21,3797,7656,17

31,4048,5239,33

41,34711,2225,88

51,4159,5541,16

61,44412,0517,26

71,51210,8517,17

81,12314,2112,67

Tabel 4.1 memperlihatkan perbandingan nilai VSWR dan gain yang diperoleh tiap-tiap konfigurasi. Tiap konfigurasi memiliki nilai VSWR 2, akan tetapi nilai gain yang diperoleh berbeda-beda. Hal ini tergantung dari jarak antar elemen dan jumlah elemen antena yang dirancang.Dari Tabel 4.1 dapat diketahui bahwa konfigurasi terbaik yang dapat digunakan untuk antena mikrostrip array elemen 2x2 adalah Konfigurasi-4. Hal ini dikarenakan pada Konfigurasi-4 antena memiliki nilai gain yang terbaik yaitu sebesar 11.32 dB, nilai VSWR 2, dengan dimensi antena 128x128 mm.Dari Tabel 4.1 Semakin banyak elemen yang terdapat dalam suatu antena, maka semakin besar nilai gain yang diperoleh. Akan tetapi pada jumlah antena 5 elemen dan 7 elemen didapati nilai Gain yang menurun. Hal ini dikarenakan adanya ketidakseimbangan pada pencatuan.

6. KesimpulanDari analisa yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : Jarak antar elemen pada antena mikrostrip patch segiempat linear array dapat mempengaruhi nilai VSWR. Pemilihan jarak antar elemen yang tepat, akan menghasilkan nilai VSWR yang maksimal. Antena mikrostrip dengan susunan linear (linear array) dapat dibentuk dengan susunan 2 elemen, 3 elemen dan seterusnya, tetapi apabila jumlah elemennya bernilai ganjil akan terjadi ketidakseimbangan dalam pencatuan. Semakin banyak elemen yang terdapat dalam suatu antena, maka semakin besar nilai gain yang diperoleh dimana untuk elemen tunggal, dua elemen, empat elemen, dan delapan elemen memiliki nilai gain masing-masing sebesar 7,76 dB; 8,52 dB; 11,22 dB; 9,55 dB; 12,04 dB; 10,85 dB; 14,21 dB. Akan tetapi pada jumlah antena 5 elemen dan 7 elemen didapati nilai Gain yang menurun. Hal ini dikarenakan adanya ketidakseimbangan pada pencatuan.

7. Daftar Pustaka[1]Surjati, Indra. 2010. Antena Mikrostrip : Konsep dan Aplikasinya. Jakarta : Universitas Trisakti. [2]Young, Daniel. 2008. UHF Microstrip Antena Design and Simulation. First Edition, Sim University Press.[3]Julio A. Navarro dan Kai Chang. 1996. Integrated Active Antennas and Spatial Power Combining. USA : John Willey[4]Adel Bedair Abdel Mooty Abdel-Rahman, 2005. Design and Development of High Gain Wideband Microstrip Antenna and DGS Filters Using Numerical Experimentation Approach. Disertasy, University Magdeburg[5]fahrazal, Muhammad. 2008. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Triple-Band Linier Array 4 Elemen Untuk Aplikasi WIMAX.[6]Zarreen Aijaz dan S.C.Shivastava. Double Slot Coupled Microstrip Antenna, International Journal of Engineering Research and Aplication (IJERA), ISSN : 2248-9622, vol. 1, hal : 219-225.

jurnal

Documents